以實驗問題為載體引導學生探究學習

■段昌平黎高殷琦

以實驗問題為載體引導學生探究學習

■段昌平黎高殷琦

一、問題提出

學生做銅片與鋅片用導線相連，插入稀硫酸中構成原電池的實驗時（圖1），驚訝地發現鋅片表面上一直在產生氣泡，且比銅片上產生的氣泡還多。這與課堂上老師講的和書中說的不一樣，即銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片（負極）上發生氧化反應，鋅溶解；銅片（正極）上發生還原反應，產生氫氣。老師和教材均沒有談及鋅片上有氫氣產生，怎么鋅片上又發生了還原反應呢？

對學生觀察到的這種異常現象，通過引導學生查閱資料時得到的解釋是：鋅片里有位于其后的金屬雜質（或石墨），致使鋅片表面形成了無數個微小原電池，H+在雜質表面被還原，故鋅片上有氫氣逸出。這種解釋從原理上看同學們是容易理解的，即鋅發生氧化反應后，鋅片上有過剩電子，這些過剩電子必然也存在于雜質金屬（或石墨）中，溶液中H+在金屬雜質（或石墨）表面獲得電子被還原而產生氫氣。

至此，有部分學生仍不滿足現有的解釋，認為，若用純鋅片作電極，上述這種現象就不存在了么？并且要求老師給他們提供器材和樣品，再通過實驗予以探究。

二、實驗探究

對同學們的要求，我們給予了積極的支持。為此，學校還專門與儀器、試劑供應單位聯系，特地購買了“分析純”（A.R.）級的鋅、銅、鋁等金屬片（或絲）供探究實驗用。探究實驗前同學們提出了假設：用鈍鋅片做此實驗，鋅片上仍可能有氫氣產生，這是因為鋅片上過剩電子比銅片上多，H+仍可能在鋅片上獲得電子被還原。當學生用購買的純鋅、純銅片重新做原來所做過的原電池實驗時，實驗結果與提出的假設相同，即純鋅片表面仍有一定量氣泡產生（相比不純鋅片少一些）。然后同學們將純鋅片、純銅片用尼龍線捆綁在一起，使之充分接觸再置于同濃度的稀硫酸中（圖2），鋅片上仍有氣體產生。

為了證明上述實驗現象的客觀存在，我們又指導學生另外做了三個輔助實驗：一是用擦去表面氧化膜的鋁片（鋁片純度肯定比鋅純度更高）代替鋅片重做上述實驗，實驗中仍看到鋁片表面有產泡產生。二是用導線將純銅片與純鋁片相連，將它們同時插入CuSO4溶液中，實驗中觀察到不僅銅片上有銅析出，鋁片上也有大量銅析出。三是將光亮鐵絲和鉑絲(實驗室用于做焰色反應鉑絲)相連接，將其兩端同時插入CuSO4溶液中，結果是鐵絲、鉑絲表面都有銅析出。

三、原因分析

將鋅片置于稀硫酸中發生置換反應，其本質是：Zn-2e-=Zn2+，Zn2+離開鋅片進入溶液中，電子留在鋅片上，致使鋅片上有過剩電子，此時，鋅片周圍有大量的Zn2+滯留，阻礙著H+與鋅片接觸，但溶液中的H+半徑極小，可穿過鋅片周圍Zn2+滯留層與鋅片接觸獲得電子還原為H，兩個H結合為H2，這種反應持續進行時，鋅片表面產生的H2聚集為氫氣而逸出。當鋅片與銅片用導線連接插入稀硫酸時，鋅片上發生氧化反應后過剩電子可通過導線流向銅片（產生電流，化學能轉化為電能），致使銅片上也有過剩電子，此時，溶液中的H+可在銅片上無阻礙地獲得電子還原為H2聚集逸出。因此，銅片上產生氫氣是理所當然的。但從微觀上看，銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上過剩電子的密度比銅片上過剩電子的密度大（電子是由鋅片流向銅片），理論上H+在銅片上更容易獲得電子被還原，這是因為銅片上不僅有過剩電子(形成負電場)，且沒有陽離子阻礙H+與銅片接觸（而是向H+“招手”）；鋅片上過剩電子密度雖然大一些，但其表面上鋅氧化的Zn2+大量滯留在其周圍，一定程度上阻礙(排斥)了H+與鋅片接觸，從而使鋅片上產生氫氣的量逐漸減少，鋅片上產生氫氣的速率也比銅片上慢。事實上鋅片周圍Zn2+對溶液中H+的阻礙(排斥)作用只是相對的，不是絕對的，因H+體積小，其穿過Zn2+聚集區與鋅片接觸獲得電子被還原為H2是完全有可能的。不然的話，鋅怎么能與稀硫酸發生置換反應？這一認識也可由上述另外三個探究實驗的事實所證明。那種認為銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上沒有氫氣產生的觀點是太絕對化看問題了。不過，從整個原電池上看，產生氫氣速率比同樣大小的鋅片與同濃度稀硫酸反應快，其內在原因就是H+在銅片上毫無阻礙地獲得電子被還原，加快了化學反應速率。

同學們由銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上有氫氣產生的現象又引出了另一個問題，即在圖1銅-鋅（硫酸）原電池中，消耗鋅的化學能并未全部轉化為電能，這種原電池對原料的利用率不高，仍然造成了浪費，同時該電池反應也不好控制。

四、引導思考

由學生親自動手做實驗產生的問題情景容易激發學生的學習興趣和創新思維。為了滿足學生的這種求知欲望，我們抓住時機，繼續進行科學引導。

圖1原電池中存在的核心問題是控制該電池反應。其方法不只是在外電路上安裝一個開關就能解決問題的，因斷開開關后，導線上只是沒有電子通過，但鋅片上仍在反應（鋅與稀硫酸的置換反應）；若閉合開關，原電池雖然在工作，但鋅片上產生氫氣的原料浪費問題仍沒有得到解決。看來解決這個問題的關鍵，就是要在圖1的基礎上展開裝置的設計創新，即銅片、鋅片用導線連接之后不能同處在同一電解質(稀硫酸)溶液中。為了避免鋅片直接與H+（或具有氧化性離子）發生反應，鋅片所處的電解質溶液中陽離子只能為自身金屬的鹽溶液或其它較之活潑金屬的鹽溶液之中，銅片則要插入稀硫酸（鋅之后的鹽溶液）中。通過這樣的引導，然后讓學生自主設計“原料利用率高、可控制反應進行”的新的銅-鋅(硫酸)原電池裝置。

起初，大多數學生設計的新裝置如圖3，對此我們進行了評析：該裝置雖然避免了鋅自發地進行反應的現象，但閉合開關后電流表指針不會發生偏轉，為什么呢？因由電解質溶液形成的內電路斷開了，反應不能進行下去，即導線上沒有電子流動（沒有電流產生），銅片上也沒有氫氣產生。如何使兩燒杯中電解質溶液相通，平衡反應中兩燒杯里陰陽離子電荷濃度，從而形成一個完整的閉合電路呢。經同學們反復思考、討論，最后確定在U形管內充滿ZnSO4或K2SO4溶液（不能為稀H2SO4或KNO3，因H+擴散到鋅所處燒杯中或NO3-擴散到銅所處燒杯中均會發生副反應），并用瓊脂使電解質溶液凝聚成凍狀物，再將該U形管倒插于兩燒杯中，從而在兩燒杯之間“架起”一座離子交換流動的“鹽橋”。最終完善的新原電池設計裝置為圖4。

新原電池裝置設計完成后，再讓同學們到實驗室做驗證實驗，其實驗現象與預期相吻合。同學們高興得相互擁抱，慶祝實驗設計成功。

通過以上原電池的探究實驗，學生不僅知道了銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上產生氫氣的多種原因，同時還解決了實驗中鋅片（原料）化學能的充分利用和有效控制反應的問題。雖然這些問題早就被人們所認識，但由高中學生親自動手做實驗，自主產生的這種認識則不同，存在著創新思維的因素。更重要的是學生實驗過程中學會了認識事物的方法，認識到只有認清了問題的本質，才能找到科學解決問題的辦法。這是最鮮活、最生動的辯證唯物主義教育和最有效的學習方法。

（作者單位：武漢市黃陂一中）

責任編輯 王愛民